KR102049317B1 - 제조 공정성이 향상된 단위셀 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 제 1 분리막을 개재하고, 제 1 분리막 및 전극들을 라미네이션(lamination) 시키는 과정; (b) 제 2 전극과 제 3 전극 사이에 제 1 분리막의 면적 대비 200% 내지 400%의 면적을 가지는 제 2 분리막을 개재하고, 이들 전극과 접한 제 2 분리막의 일부와 전극들을 라미네이션 시키는 과정; (c) 상기 제 2 분리막에서 라미네이션 되지 않은 나머지 부위를 제 3 전극의 상면 방향으로 절곡하여 제 3 전극의 상면이 제 2 분리막으로 감싸인 제 1 단위셀을 제조하는 과정; 및 (d) 상기 과정(a) 내지 과정(c)을 반복 수행하여, n개(n≥2)의 단위셀을 더 제조하는 과정;을 포함하는 단위셀 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 제조 공정성이 향상된 단위셀 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 소정 단위의 양극과 음극들 사이에 분리막이 개재된 구조의 단위셀들 사이에 분리막을 라미네이션 시킨 구조, 상세하게는 분리막과 바이셀의 전극을 접착제와 열을 통해 접착시킨 구조의 스택/라미네이션 전극조립체가 개발되었다.
이러한 구조의 전극조립체는 양극(음극), 분리막, 음극(양극), 분리막, 양극(음극)이 순차적으로 적층된 구조의 바이셀이 단위셀로서 이용될 수 있다.
여기서, 상기 바이셀들은 스택/라미네이션 전극조립체로 제조되기 위해 대면하게 되는데, 바이셀 간 서로 대면하는 전극들의 극성이 서로 상이할 경우, 상부에 위치하는 바이셀의 전극활물질 분말이, 하부에 위치하는 바이셀의 전극에 유입되면서, 서로 다른 극성의 전극활물질이 함유된 전극에 의해 하부에 위치하는 바이셀의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극의 표면을 감쌀 수 있는 분리막을 이용하여 바이셀을 제조하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단위셀 제조 방법은,
전극조립체를 구성하는 둘 이상의 단위셀들을 제조하는 방법으로서,
(a) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 제 1 분리막을 개재하고, 제 1 분리막 및 전극들을 라미네이션(lamination) 시키는 과정;
(b) 제 2 전극과 제 3 전극 사이에 제 1 분리막의 면적 대비 200% 내지 400%의 면적을 가지는 제 2 분리막을 개재하고, 이들 전극과 접한 제 2 분리막의 일부와 전극들을 라미네이션 시키는 과정;
(c) 상기 제 2 분리막에서 라미네이션 되지 않은 나머지 부위를 제 3 전극의 상면 방향으로 절곡하여 제 3 전극의 상면이 제 2 분리막으로 감싸인 제 1 단위셀을 제조하는 과정; 및
(d) 상기 과정(a) 내지 과정(c)을 반복 수행하여, n개(n≥2)의 단위셀을 더 제조하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 방법은, 면적이 상대적으로 넓은 제 2 분리막이 제 2 전극과 제 3 전극 사이에 개재되는 동시에 절곡되면서 제 3 전극의 상면을 감싸는 바, 단위셀 제조 과정에서 발생할 수 있는 전극활물질 분말이나 금속과 같은 이물이 제 3 전극에 유입되는 문제점을 해소할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법은 상기와 같이, 제 2 분리막을 이용함으로써, 제 3 전극 상에 또 다른 단위셀을 라미네이션 하기 위한 분리막을 제단하고 이를 개재하는 일련의 공정이 생략될 수 있으므로, 단위셀 제조 공정이 간소화될 수 있다.
상기 제 1 분리막은 전극들의 표면간 접촉을 방지하도록 전극의 표면적 보다 큰 크기로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 제 1 전극, 제 2 전극 또는 제 3 전극의 표면적 대비 110% 내지 150%의 표면적을 가질 수 있다.
상기 제 1 분리막의 크기가 상기 범위 미만으로 이루어질 경우, 전극 표면을 충분히 감쌀 수 없으므로 바람직하지 않고, 상기 범위를 초과하는 경우, 단위셀의 체적이 증가하게 되므로 바람직하지 않다.
상기 제 1 분리막은 또한, 제 1 전극과 제 2 전극이 적층되면, 각 전극의 단부를 통해 분리막의 일부가 연장될 수 있으며, 상기 연장된 일부는 제 2 분리막과 열융착될 수 있다.
상기 제 2 분리막은 앞서 설명한 바와 같이, 제 2 전극과 제 3 전극 사이 공간에서 이들 표면 접촉을 충분히 방지함과 동시에, 제 3 전극의 상면을 충분히 감싸도록 제 1 분리막의 크기 대비 200% 내지 400%의 상대적으로 큰 크기로 이루어질 수 있으며, 이와 같이 상대적으로 큰 크기에 기반하여, 제 2 전극과 제 3 전극 표면간 접촉을 방지하는 동시에, 절곡된 후에도, 제 3 전극의 상면을 완전히 감쌀 수 있다.
제 2 분리막이 상기 범위 미만으로 이루어질 경우, 제 3 전극의 표면을 충분히 감쌀 수 없으므로 바람직하지 않고, 상기 범위를 초과하는 경우 단위셀의 체적이 증가하게 되므로 바람직하지 않다.
상기 제 1 분리막 및 제 2 분리막의 표면에는 PVDF등의 접착제가 도포되어 있고, 상기 라미네이션은, 분리막 표면에 전극들을 접촉시킨 후, 이들의 표면에 열을 인가하여 상호 접합하는 공정으로서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 상기 분리막으로 단위셀들이 상호 접합된 스택/라미네이션 구조로 제조될 수 있다.
상기 과정(c)에서, 제 2 분리막은, 제 3 전극의 상면을 감싼 상태에서 절곡된 부위가 커팅(cutting)되어, 제 3 전극의 상부 전면에 밀착되는 외곽 분리막을 형성할 수 있고, 이 상태에서 상기 외곽 분리막은 제 3 전극 상면에 라미네이션 될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 단위셀들 각각이 외곽 분리막을 통해,라미네이션이 가능한 구조로 제조되므로, 별도의 분리막을 제단하고 개재하는 일련의 과정이 생략될 수 있으며, 외곽 분리막에 의해, 제 3 전극으로의 이물 유입이 방지되므로, 보다 안정성 높은 단위셀의 제조가 가능하다.
본 발명에서 단위셀은 두 개의 양극과 하나의 음극을 포함하는 바이셀 구조, 또는 하나의 양극과 두 개의 음극을 포함하는 바이셀 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제 1 전극과 제 3 전극이 동일 극성의 전극이고, 제 2 전극은 제 1 전극과 제 3 전극에 대해 반대되는 극성의 전극일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극 및 제 3 전극은 양극활물질을 함유하는 양극이고, 상기 제 2 전극은 음극활물질을 함유하는 음극일 수 있다.
이와는 반대로, 상기 제 1 전극 및 제 3 전극은 음극활물질을 함유하는 음극이고, 상기 제 2 전극은 양극활물질을 함유하는 양극일 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극 및 제 3 전극 중에서, 어느 하나는 집전체의 일면에만 전극활물질이 도포되어 있는 단면 전극이고, 나머지 전극들은 집전체의 양면에 전극활물질이 도포되어 있는 양면 전극일 수 있다.
따라서, 단위셀은 제 1 전극이 단면 전극인 경우, 단면 양극, 분리막, 양면 음극, 분리막 및 양면 양극이 차례로 적층된 구조일 수 있고, 이와 반대로, 단면 음극, 분리막, 양면 양극, 분리막 및 양면 음극이 차례로 적층된 구조일 수 있다.
또한 단위셀은 제 3 전극이 단면 전극인 경우, 양면 양극, 분리막, 양면 음극, 분리막 및 양면 양극이 차례로 적층된 구조일 수 있고, 이와 반대로, 양면 음극, 분리막, 양면 양극, 분리막 및 단면 음극이 차례로 적층된 구조일 수 있다.
이와는 달리, 본 발명의 바이셀은 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극이 집전체의 양면에 전극활물질이 도포되어 있는 양면 전극으로 이루어질 수도 있다.
상기 과정(a) 내지 과정(d)에서 제조된 단위셀들은 제 3 전극을 감싸는 제 2 분리막이 상부에 위치되도록 접이식 수납 장치(folding magazine)에 적재될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 단위셀을 제공한다.
상기 단위셀은 양극, 제 1 분리막, 음극, 제 2 분리막, 양극, 외곽 분리막이 차례로 적층 및 라미네이션된 구조의 바이셀(bi-cell), 및/또는 음극, 제 1 분리막, 양극, 제 2 분리막, 음극, 외곽 분리막이 차례로 적층 및 라미네이션된 구조의 바이셀(bi-cell)일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 단위셀을 n개(n≥2) 포함하는 전극조립체로서,
상기 전극조립체는, 제 1 단위셀의 외곽 분리막 상에 제 2 단위셀의 제 1 전극이 위치된 상태로 제 1 전극과 외곽 분리막이 상호 라미네이션된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 상기 전극조립체는 n개(n≥3)의 단위셀들을 포함할 수 있고, 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 라미네이션된 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제공한다.
본 발명의 전지셀은 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지셀일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은, 면적이 상대적으로 넓은 제 2 분리막이 제 2 전극과 제 3 전극 사이에 개재되는 동시에 절곡되면서 제 3 전극의 상면을 감싸는 바, 단위셀 제조 과정에서 발생할 수 있는 전극활물질 분말이나 금속과 같은 이물이 제 3 전극에 유입되는 문제점을 해소할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법은 상기와 같이, 제 2 분리막을 이용함으로써, 제 3 전극 상에 또 다른 단위셀을 라미네이션 하기 위한 분리막을 제단하고 이를 개재하는 일련의 공정이 생략될 수 있으므로, 단위셀 제조 공정이 간소화될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단위셀의 모식도이다;
도 2 및 도 3에는 도 1의 단위셀을 제조하는 일련의 과정을 나타낸 모식도들 이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀 제조 방법의 흐름도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 평면 모식도이다.
도 2 및 도 3에는 도 1의 단위셀을 제조하는 일련의 과정을 나타낸 모식도들 이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀 제조 방법의 흐름도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 평면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 단위셀이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 단위셀은 제 1 전극(10), 제 1 분리막(20), 제 2 전극(30), 제 2 분리막(40), 제 3 전극(50) 및 외곽 분리막(70)을 포함한다.
제 1 분리막(20)의 양면에는 PVDF와 같은 접착제가 도포되어 있고, 제 1 전극(10) 상에 제 1 분리막(20)과 제 2 전극(30)이 차례로 적층 및 접착된 후, 열에 의해 라미네이션 되어 있다.
여기서 제 1 분리막(20)은 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)의 전극 표면이 서로 접촉하지 않도록 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)과 비교하여 큰 크기로 이루어져 있다. 따라서, 제 1 분리막(20)은 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30) 사이에 라미네이션 된 상태에서, 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)의 단부로부터 외부로 연장된 주변부(도 3의 B, C 참조)를 형성한다.
제 2 분리막(40)의 양면에는 PVDF와 같은 접착제가 도포되어 있고, 제 2 전극(30) 상에 제 2 분리막(40) 및 제 3 전극(50) 이 차례로 적층 및 접착된 후, 열에 의해 라미네이션 되어 있다.
여기서 제 2 분리막(40)은 제 1 분리막(20)의 면적 대비 대략 200%의 면적을 가지도록, 제 1 분리막(20)의 길이 대비 대략 200%의 길이를 가진다.
따라서, 제 2 분리막(40)이 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50) 사이에 라미네이션 된 상태에서, 제 2 분리막(40)의 일부(도 2의 40a 참조)는 대략 제 1 분리막(20)의 길이 만큼 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50) 의 단부로부터 길게 연장되어 있다.
이와 같이 제 2 전극(30) 및 제 3 전극(50) 과 라미네이션 되지 않은 제 2 분리막(40)은 가상의 절취선(A)을 따라 제 3 전극(50) 의 상면 방향으로 절곡된 후, 절취되어 제 3 전극(50) 의 상면을 감싸는 외곽 분리막(70)을 형성한다.
한편, 도 2 및 도 3에는 도 1의 단위셀을 제조하는 일련의 과정이 모식적으로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명에 따른 단위셀 제조 방법의 흐름도가 도시되어 있다.
앞선 도 1의 단위셀 구조를 바탕으로 본 발명에 따른 방법을 이하에서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 방법은, 과정(101)에서, 제 1 전극(10), 제 2 전극(30) 및 제 1 분리막(20)을 순차적으로 적층한 후, 이들을 라미네이션 시킨다.
여기서, 제 1 분리막(20)의 양면에는 PVDF와 같은 접착제가 도포될 수 있으며, 제 1 전극(10)의 상면과 제 2 전극(30)의 하면이 접착제에 의해 제 1 분리막(20) 양면에 접착되며, 이 상태에서, 제 1 전극(10)의 하면, 제 2 전극(30)의 상면 및/또는 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)의 측면에 열을 인가하여, 이들을 라미네이션 시킬 수 있다.
또한, 제 1 분리막(20)은 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)의 대면하는 표면이 서로 접촉하지 않도록 제 1 분리막(20)은 이들 전극들보다 더 큰 크기로 이루어져 있고, 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)의 사이에 개재된 상태에서 제 1 분리막(20)의 각 단부 부위는 외측으로 연장되도록 이들 전극 사이에 개재된다.
이후, 과정(102)에서 제 2 전극(30)의 상면에 제 2 분리막(40)과 제 3 전극(50) 을 순차적으로 적층한 후, 이들을 라미네이션 시킨다.
이때, 제 2 분리막(40)은 제 1 분리막(20)의 면적 대비 대략 200%의 면적을 가지도록, 제 1 분리막(20)의 길이 대비 대략 200%의 길이로 이루어져 있으며, 대략 제 1 분리막(20)의 길이 만큼 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50) 의 단부로부터 길게 연장되도록 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50) 사이에 라미네이션 된다.
제 2 분리막(40)은 또한 그것의 양면에 PVDF와 같은 접착제가 도포될 수 있으며, 제 2 전극(30)의 상면과 제 3 전극(50) 의 하면이 접착제에 의해 제 2 분리막(40) 양면에 접착되며, 이 상태에서, 제 2 전극(30)의 하면, 제 3 전극(50) 의 상면 및/또는 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50) 의 측면에 열을 인가하여, 이들을 라미네이션 시킬 수 있다.
상기와 같이 제 2 분리막(40)을 라미네이션 한 상태로, 과정(103)에서는, 제 2 분리막(40)에서 라미네이션 되지 않은 나머지 부위(40a), 즉, 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50)의 단부로부터 길게 연장되어 있는 부위(40a)를 제 3 전극(50)의 상면 방향으로 절곡한 후, 과정(104)을 수행한다.
과정(104)에서는 과정(103)에서 제 2 분리막(40)의 절곡된 부위를 가상의 절취선(A)을 따라 절취하여 제 3 전극(50)의 상면을 감싸는 외곽 분리막(70)을 형성한다.
이와 같이 형성된 외곽 분리막(70)은 과정(105)에서 제 3 전극(50)의 상면에 라미네이션 되어 본 발명에 따른 단위셀(100)이 제조된다.
이후, 과정(101) 내지 과정(105)을 반복 수행하여, 복수의 단위셀들을 제조한다.
경우에 따라서는 과정(101) 내지 과정(105)에서 제조된 단위셀들은 도 5에서와 같이, 제 1 분리막(20), 제 2 분리막(40) 및 외곽 분리막(70)에서 각 전극들의 단부를 통해 외측으로 연장되어 있는 부위(C' B')가 상호 열융착될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 방법은, 면적이 상대적으로 넓은 제 2 분리막(40)이 제 2 전극(30)과 제 3 전극(50) 사이에 개재되는 동시에 절곡되면서 제 3 전극(50) 의 상면을 감쌈으로써, 제 3 전극(50) 의 상면이 외부로 노출되지 않고, 그에 따라 제 3 전극(50) 상에 소망하지 않는 이물, 예를 들어, 단위셀 제조 공정 시 발생되는 금속 이물, 공기 중의 전극활물질 분말 등의 유입이 차단될 수 있으므로, 보다 우수한 성능의 단위셀 제조가 가능하다.
뿐만 아니라, 상기 방법은 제 2 분리막(40)으로부터 절취된 외곽 분리막(70)을 서로 다른 단위셀 간 라미네이션에 이용함으로써, 제 3 전극(50) 과 또 다른 단위셀의 전극에 부합되는 분리막을 제단하고 이를 제 3 전극(50) 과 또 다른 단위셀 사이에 개재하는 방법과 비교하여, 단위셀 제조 공정이 상당히 간소화될 수 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체가 모식적을 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전극조립체(200)는 제 1 단위셀(100a), 제 2 단위셀(100b) 및 제 3 단위셀(100c)을 포함한다.
전극조립체는 제 1 단위셀(100a)의 외곽 분리막(70a) 상에 제 2 단위셀(100b)의 제 1 전극(10b)이 위치된 상태로 제 1 전극(10b)과 외곽 분리막(70a)이 상호 라미네이션된 구조로 이루어져 있고, 제 2 단위셀(100b)의 외곽 분리막(70b) 상에 제 3 단위셀(100c)의 제 1 전극(10c)이 위치된 상태로 제 1 전극(10v)과 외곽 분리막(70b)이 상호 라미네이션된 구조로 이루어져 있다.
한편, 제 3 단위셀(100c)의 외곽 분리막(70c)은 전극조립체의 최 외측에 위치하게 되며, 이와 같이 외측에 위치한 제 3 단위셀(100c)의 외곽 분리막(70c)은 침상 도체가 전극조립체(200)를 관통하는 경우, 침상 도체와의 마찰력에 의해 연신되면서, 침상 도체와 양극 및 음극이 접촉하는 부위를 최소화하여, 전극조립체의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (16)
- 전극조립체를 구성하는 둘 이상의 단위셀들을 제조하는 방법으로서,
(a) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 제 1 분리막을 개재하고, 제 1 분리막 및 전극들을 라미네이션(lamination) 시키는 과정;
(b) 제 2 전극과 제 3 전극 사이에 제 1 분리막의 면적 대비 200% 내지 400%의 면적을 가지는 제 2 분리막을 개재하고, 이들 전극과 접한 제 2 분리막의 일부와 전극들을 라미네이션 시키는 과정;
(c) 상기 제 2 분리막에서 라미네이션 되지 않은 나머지 부위를 제 3 전극의 상면 방향으로 절곡하여 제 3 전극의 상면이 제 2 분리막으로 감싸인 제 1 단위셀을 제조하는 과정; 및
(d) 상기 과정(a) 내지 과정(c)을 반복 수행하여, n개(n≥2)의 단위셀을 더 제조하는 과정;을 포함하고,
상기 과정(c)에서, 제 2 분리막은, 제 3 전극의 상면을 감싼 상태에서 절곡된 부위가 커팅(cutting)되어, 제 3 전극의 상부 전면에 밀착되는 외곽 분리막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막 및 제 2 분리막의 표면에는 접착제가 도포되어 있고, 상기 라미네이션은, 분리막 표면에 전극들을 접촉시킨 후, 이들의 표면에 열을 인가하여 상호 접합하는 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 과정(a) 내지 과정(d)에서 제조된 단위셀들은 제 3 전극을 감싸는 제 2 분리막이 상부에 위치되도록 접이식 수납 장치(folding magazine)에 적재되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 외곽 분리막은 제 3 전극 상면에 라미네이션 되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 3 전극은 양극활물질을 함유하는 양극이고, 상기 제 2 전극은 음극활물질을 함유하는 음극인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 3 전극은 음극활물질을 함유하는 음극이고, 상기 제 2 전극은 양극활물질을 함유하는 양극인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 3 전극 중에서, 어느 하나는 집전체의 일면에만 전극활물질이 도포되어 있는 단면 전극이고, 나머지 전극들은 집전체의 양면에 전극활물질이 도포되어 있는 양면 전극인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극은 집전체의 양면에 전극활물질이 도포되어 있는 양면 전극인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막은 제 1 전극, 제 2 전극 또는 제3 전극의 표면적 대비 110% 내지 150%의 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 따른 방법으로 제조된 단위셀로서,
상기 단위셀은 양극, 제 1 분리막, 음극, 제 2 분리막, 양극, 외곽 분리막이 차례로 적층 및 라미네이션된 구조의 바이셀(bi-cell), 또는 음극, 제 1 분리막, 양극, 제 2 분리막, 음극, 외곽 분리막이 차례로 적층 및 라미네이션된 구조의 바이셀(bi-cell)인 것을 특징으로 하는 단위셀. - 제 11 항에 따른 단위셀을 n개(n≥2) 포함하는 전극조립체로서,
상기 전극조립체는, 제 1 단위셀의 외곽 분리막 상에 제 2 단위셀의 제 1 전극이 위치된 상태로 제 1 전극과 외곽 분리막이 상호 라미네이션된 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체는 n개(n≥3)의 단위셀들을 포함하고 있고, 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 라미네이션된 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
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| PA0109 | Patent application |
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